WO2011113191A1 - 制动能量管理系统及其控制方法 - Google Patents

Description

制动能量管理系统及其控制方法 技术领域

本发明涉及高速列车制动能量的管理、 利用方法， 尤其是涉及一种磁浮列 车的制动能量管理系统及其控制方法。 背景技术

电气列车制动过程中产生的制动能量回馈到供电单元的直流母线， 导致母 线电压升高。

为了将母线电压限制在安全可靠的范围内， 必须及时转移母线上的多余能 量。 一般地， 有以下几种转移能量的方案：

目前， 在轨道交通、 电梯及轧机等传动系统中， 大多通过制动电阻将多余 能量以热的形式消耗掉。 采用这种方案构建的系统结构简单， 成本低， 但会造 成大量电能的浪费。

随着并网逆变技术的逐渐成熟， 可以通过并网逆变器将多余的制动能量回 馈到电网。 目前在轨道交通及电梯中出现了相关的应用及产品。 这一方案的缺 点是会向电网注入冲击电流和谐波， 导致电网电能质量下降。

近几年， 在一些地铁系统中采用了利用接在直流母线侧的超级电容器作为 储能装置存储多余的制动能量， 并在列车启动加速时释放这些能量以提供部分 能量的方法。在西门子公司的专利申请 WO2007134674A1中提出了一种将再生 制动能量回收到超级电容器中的电路和控制方法。 该系统在列车上配备了超级 电容器， 该超级电容器吸收列车的制动能量， 为列车在中途加速过程提供所需 的能量。 列车进站后， 车站的充电装置根据超级电容器剩余能量的大小决定是 否对之充电。 日本日立公司的专利 CN101 100170A、美国专利 US20080000381、 US4523059也提出了类似的方案。 但是有些储能装置， 例如镍氢电池、 飞轮储 能装置的充放电速度过慢， 不能满足高速磁浮列车制动能量存储的要求。 更重 要的是， 目前包括超级电容器的储能装置存储的能量有限， 不能满足大量的制 动能量的存储。

也存在一些结合了上述方案的技术。例如美国专利 US 20060005738A1 提 出了一种车载的储能系统，用于吸收再生制动能量。该系统主要用于电力机车， 吸收制动能量， 并为列车加速提供能量。 该储能系统还可以接受外部能源的充 电。 列车上装备了制动电阻来消耗储能装置无法吸收的能量。 但是毕竟会有大 量的能量被不必要地消耗了。中国专利 CN101249802提出利用超级电容器储能 的城市轨道交通车辆制动能量回收系统， 其中超级电容器的能量通过辅助逆变 器提供电力， 用于车内通风、 照明等小负荷。 但是该方案的逆变方案并无法推 广应用到大负荷。

总体来说， 当超过其容量的制动能量出现时， 上述技术的储能装置不具备 通过直流母线向交流母线回馈并有效控制向公共交流电网回馈的功能， 只能通 过直流母线上的电阻消耗掉。

高速磁悬浮列车在制动过程中产生巨大的制动能量， 由于缺乏合适的能量 转移方案， 这些制动能量被制动斩波器以热能的形式消耗在制动电阻上， 造成 大量能量的浪费。 这些问题同样存在于诸如轨道交通、 轧钢、 电梯等频繁加减 速的电机驱动系统中。 发明内容

本发明提出一种有效利用制动能量的管理系统和控制方法， 以减少能量的浪 费。

本发明的一个方面提出一种制动能量管理系统， 包含于一牵引系统内， 该 牵引系统包含供电系统母线、 用于牵引一动力系统的牵引电机、 以及变换该供 电系统母线的电力信号以适合该牵引电机使用的变流器装置， 该制动能量管理 系统包括能量回馈装置、 电能储存装置、 耗能装置、 以及控制装置。 能量回馈 装置连接变流器装置与供电系统母线， 当能量回馈装置被启动时， 从变流器装置 获取制动能量并向供电系统母线回馈所述制动能量。 电能储存装置， 通过可控 的第一电能传导路径连接该变流器装置与该供电系统母线其中之一。耗能装置通 过可控的第二电能传导路径连接该变流器装置。 控制装置， 用以执行以下操作： 当检测到动力系统制动时， 首先启动能量回馈装置， 以将制动能量导入至该 供电系统母线；

当检测到该供电系统母线上的牵引负荷和 /或非牵引负荷的能量需求小于 制动能量时， 打开第一电能传导路径以将能量储存到该电能储存装置； 以及 当检测到电能储存装置存满电能时， 打开第二电能传导路径以将能量导入到 该耗能装置消耗。

在本发明的一实施例中， 能量回馈装置可独立于变流器装置配置。 在此例 中， 能量回馈装置可为逆变器。 在另一实施例中， 能量回馈装置可以是集成于 变流器装置内， 使变流器装置能够反向地将制动能量变换为适合于供电系统母 线的电力信号。

在本发明的一实施例中， 制动能量管理系统还可包括一连接保护装置， 其 响应控制装置而打开或关闭第一电能传导路径， 使电能储存装置进行充电或放 电。

在本发明的一实施例中， 制动能量管理系统还可包括一制动斩波装置， 其 响应控制装置而打开或关闭第二电能传导路径， 以控制能量是否导入耗能装置。

在本发明的一实施例中， 控制装置可在需要向牵引电机提供能量的任意时 刻打开第一电能传导路径， 以释放电能储存装置的能量。

在本发明的一实施例中， 电能储存装置可包括蓄电池、 超级电容器、 飞轮 储能、 超导电感储能、 液流电池、 压缩空气储能中的至少一种。

在本发明的一实施例中， 变流器装置可包括逆变器、 整流器和介于逆变器 与整流器之间的直流母线， 其中整流器是只进行整流的常规整流器。 在另一实 施例中， 整流器可优化为能够进行整流和逆变的四象限整流器， 从而变流器装 置获得双向电力馈送能力。

在本发明的一实施例中， 整流器可以是不控整流器、 半控整流器、 全控整 流器或者其组合。

在本发明的一实施例中， 逆变器可以是两电平、 三电平或者多电平拓扑结 构。

本发明的另一方面提出一种制动能量管理方法， 应用于一牵引系统， 该牵 引系统包含供电系统母线、 用于牵引一动力系统的牵引电机、 以及变换该供电 系统母线的电力信号以适合该牵引电机使用的变流器装置， 该方法包括以下步 骤： 当检测到该动力系统制动时， 使用一能量回馈装置将该变流器装置从牵引电 机获取的制动能量优先向该供电系统母线回馈，以为该供电系统母线上的非牵引 负荷和 /或牵引负荷供电；当检测到该供电系统母线上的牵引负荷和 /或非牵引负 荷的能量需求小于制动能量时， 将制动能量储存到一电能储存装置； 以及当检测 到电能储存装置存满电能时， 将制动能量导入到一耗能装置消耗。

在本发明的一实施例中，检测供电系统母线上的牵引负荷和 /或非牵引负荷 的能量需求是否小于制动能量包括检测该供电系统母线上的电压是否大于一电 压阈值。 在本发明的一实施例中，为该供电系统母线上的非牵引负荷和 /或牵引负荷 供电包括： 以对应于该供电系统母线上的非牵引负荷的一预定功率供电； 以及 当检测到该供电系统母线上存在另一动力系统被牵引时， 使该能量回馈装置继 续向该供电系统母线供电。

在本发明的一实施例中， 检测到电能储存装置存满电能包括检测变流器装置 中的直流母线电压是否大于一电压阈值。

在本发明的一实施例中， 释放电能储存装置的能量的功率是按照预定的曲 线进行。

本发明的又一方面提出一种制动能量管理方法， 应用于一牵引系统， 该牵 引系统包含供电系统母线、 用于牵引多个动力系统的多个牵引电机、 以及变换 该供电系统母线的电力信号以适合各牵引电机使用的多个变流器装置， 该方法 包括以下步骤： 当多个动力系统中的任一动力系统被制动时， 利用一能量回馈 装置将该变流器装置从牵引电机获取的制动能量优先向该供电系统母线回馈； 当 检测到该供电系统母线上的牵引负荷和 /或非牵引负荷的能量需求小于制动能 量时， 将制动能量储存到一电能储存装置； 以及当检测到电能储存装置存满电能 时， 将制动能量导入到一耗能装置消耗。

本发明中的动力系统并不仅限于高速磁浮列车， 而是可广泛用于其它轨道 交通、 轧钢、 电梯等系统。

上述的本发明一般描述和以下的具体实施方式不应视为限制性的。 此外， 除 在此阐述的内容之外还可提供特征或变换。例如在具体实施方式中描述的实施例可 涉及多种特征的组合和子组合。 附图概述

本发明的特征、 性能由以下的实施例及其附图进一步描述。

图 1是本发明一实施例的系统框图；

图 2是本发明实施例的能量管理流程图；

图 3(a)是图 1中的电能储存装置的能量存储-释放控制流程；

图 3(b)是图 1中的向制动电阻释放能量控制流程；

图 4是图 1中的电能储存装置与变流器直流母线的连接示意图；

图 5是描绘图 1制动能量利用管理的示意图； 图 6是根据本发明的一种接入变流器直流母线装置的方式；

图 7是根据本发明的另一种接入变流器直流母线装置的方式；

图 8是本发明中变流器逆变部分为三电平逆变器的一个实施例；

图 9是本发明中变流器逆变部分为三电平逆变器的另一个实施例； 图 10是本发明中变流器逆变部分为两电平逆变器的一个实施例；

图 11是本发明中的储能装置与交流母线连接的一个实施例；

图 12是本发明中变流器整流部分为不控整流的一个实施例；

图 13是本发明中变流器整流部分为半控整流的一个实施例；

图 14是本发明中变流器整流部分为全控整流的一个实施例。 本发明的最佳实施方式

图 1示出本发明一实施例的系统框图。 在图 1所示环境中， 通过三相交流 系统母线 80向各能量变换装置， 例如用于一列车 50的牵引变流器装置 70、 以 及另一列车 50a的另一牵引变流器装置 70a供电。 在本实施例中， 将牵引列车 50a的有关负荷需求称为牵引负荷。 两部或两部以上的列车通过三相交流系统 母线 80组成的供电网络连接， 可共享由供电网络提供的电能。 三相交流系统 母线 80也可向诸如相对小的动力、 照明等非直接用于牵引列车的非牵引负荷 30供电。 可以理解的是， 本发明并不限定于如图 1所示的环境， 而是可广泛用 于其它轨道交通、 轧钢、 电梯等系统。

上级电网 100经过三相交流主变压器 90变换后， 可向三相交流系统母线

80提供电能。 在三相交流系统母线 80与列车 50之间可设置包含整流器 71、 中间直流母线 72和逆变器 73的变流器装置 70。 在本发明的实施例中， 变流器 装置 70可将电能从交流系统母线 80输送到列车 50， 并至少可以相反的方向将 制动能量变换后输送到中间直流母线 72。

在本实施例中， 制动能量管理系统 40可包括能量回馈装置 401、 能量回馈 控制装置 41、 电能储存装置 42、 以及耗能装置 43。 电能储存装置 42可以是蓄 电池， 也可以是超级电容器、 飞轮储能、 超导电感储能、 液流电池、 压缩空气 储能等其它类型的电能存储装置。 耗能装置 43例如是能够将能量以热能或其 它方式耗散的装置。 通常， 选择电阻作为耗能装置 43的元件。

在图 1所示实施例中， 当列车制动时， 实现制动能量在以下三个方面的综合 能量管理： 交流系统母线 80的牵引负荷 70a和 /或非牵引负荷 30利用能量， 电能 储存装置 42储存能量， 耗能装置 43消耗能量。

根据本实施例， 当系统中的列车 50制动时， 制动能量通过逆变器 73反馈 到中间直流母线 72。 为了实现将中间直流母线 72的直流电逆变为交流电， 可 利用能量回馈装置 401逆变为交流电， 优先提供给交流系统母线 80上的非牵 引负荷 30或牵引负荷 70a使用。在一个实施例中， 能量回馈装置 401可由单独 的逆变器构成， 这将在参照图 8- 10的实施例中描述。 在另一个实施例中， 可将 整流器 71配置为具有逆变功能、 能量可以双向流动的整流器 （被称为四象限 整流器） ， 这将在参照图 6和图 7的实施例中描述。 这相当于将能量回馈装置 401集成到变流器装置 70中， 使其可以双向传输能量。

为了实施制动能量控制， 系统还包含能量回馈控制装置 41。 根据需要， 能 量回馈控制装置 41可连接到交流系统母线 80、 能量回馈装置 401、 变流器装 置 70、 连接保护装置 45、 制动斩波装置 44中的部分或全部， 以实现系统状态 的检测和能量管理。

在一方面， 回馈至交流系统母线 80上的制动能量首先满足该母线上的动 力、 照明等非直接用于牵引列车的负荷 30使用。 对一个交流系统母线， 非列 车牵引负荷的功率通常为基本不变。 在本实施例中， 能量回馈控制装置 41既 可以通过实时监测该负荷值， 也可以通过预先设置一个固定的功率值并控制向 交流系统母线 80上输送的电能不大于此设定值， 来确保回馈至交流系统母线 80上的电能不向上级电网 100回馈。

另一方面， 当一部列车 （如列车 50 ) 制动， 而另一趟列车 （如列车 50a) 被牵引时， 从上级电网 100获得能量， 通过变压器 90变换成系统母线电压等 级， 通过与被牵引的列车相关联的变流器装置 (图未示;)向列车供电， 牵引列车 运行。 这时， 能量回馈控制装置 41通过检测主变压器 90输出侧电流的情况， 可判断是否有列车牵引， 如有， 则控制制动列车 50的能量继续向交流系统母 线 80回馈。

进一步， 如果能量回馈控制装置 41检测到交流系统母线 80的负荷需求小 于此时可能回馈至交流母线 80的制动能量，则启动电能储存装置 42进行存储。 在列车 50再次启动或者加速时， 储存的能量可以按一定速率释放出去， 以便 为下次能量吸收做好准备。

另外， 如果能量回馈控制装置 41检测到电能储存装置 42已经存满能量， 则剩下的制动能量通过耗能装置 43消耗掉。

在本发明的实施例中， 逆变器 73可为三相逆变器， 此三相逆变器 73可以 是三电平变流器， 也可以是两电平变流器、 或其它电平级数大于 3的多电平变 流器。 变流器装置 70向电机 60提供电压、 电流和频率可以调节的电能， 以牵 引列车 50运行。

在本实施例中， 变流器装置 70是双脉宽调制的能量可回馈型变流器。 在 实施列车牵引阶段， 变流器装置 70从三相交流系统母线 80获得电能。 而在列 车制动阶段， 制动能量也能从电机 60向交流母线 80方向传送。 在高速磁浮交 通的背景中， 三相交流系统母线 80是 20kV母线， 然而这旨在示例性地说明本 发明能够应用的电压量级， 而非作为限制。

电能储存装置 42可由储能装置， 例如超级电容器和相应的控制装置组成。 为了保护电能储存装置 42， 在电能储存装置 42的前端设置连接保护装置 45。 连接保护装置 45可以控制电能储存装置 42和与之连接的变流器装置的中间直 流母线 72之间的电能传导路径， 以决定释放储存或者释放能量。

当制动能量无法向其它方向流动、 消耗时， 通过耗能装置 43消耗掉。 耗 能装置 43的元件可以是铸铁、 或不锈钢、 或其它材料制成的满足列车最大可 能制动情况下功率需求的电阻。 耗能装置 43经制动斩波装置 44连接到变流器 装置中间直流母线 72， 该制动斩波装置 44可打开或关闭耗能装置 43与中间直 流母线 72之间的电能传导路径， 以控制电流是否流向耗能装置 43。

非牵引负荷 30可包括接在交流系统母线 80上的动力、 照明装置等非牵引 装置。

变流器装置 70a是接在交流系统母线 80上的与牵引另一列车 50a有关的牵 引负荷。 此另一列车 50a可具有与列车 50相似的能量管理系统 40a。

图 2是以流程图的形式示出本发明一实施例的制动能量管理流程。 图 5直 观地示出制动能量的 3种流通路径， 图 5中的虚线代表能量的流向。 下面参照 图 2和图 5描述本实施例中能量管理系统的控制流程：

在步骤 301， 当牵引列车 50运行时， 系统从三相交流系统母线 80获取能 量， 通过整流器 71、 中间直流母线 72、 逆变器 73， 送到电机 60， 驱动列车 50 运行。

当列车 50制动时， 列车 50的动能通过电机 60变为电能， 再通过逆变器

73、 中间直流母线 72、 整流器 71将制动能量优先提供给三相交流系统母线 80 下的负荷 70a、 30使用。

具体地说， 在步骤 302， 回馈至交流系统母线 80上的制动能量首先向交流 系统母线上的动力、 照明等非直接用于牵引列车的负荷 30提供电能。 对一个 交流系统母线， 非列车牵引负荷的功率通常为基本不变。 可以预先设置一个固 定的功率阈值 P0， 此功率阈值 P0不大于非牵引负荷 30的功率， 并且控制向交 流系统母线 80上输送的功率不大于 P0。

在步骤 303， 当一趟列车， 如列车 50制动， 而另一趟列车， 如列车 50a被 牵引时， 系统从上级电网 100获得能量， 通过三相交流主变压器 90变换成交 流系统母线 80的电压等级，通过对应于列车 50a的变流器装置 70a向其长定子 直线同步电机 60a供电， 以牵引列车 50a运行。 这时， 通过能量回馈控制装置 41的母线电压、 电流检测功能检测交流母线系统 80负荷情况 （该负荷代表电 压和电流的综合指标） ， 可判断是否有列车正被牵引， 如有， 则控制列车 50 的能量继续向交流母线系统 80回馈。

在步骤 304， 如果交流系统母线 80上的负荷 70a、 30的能量需求之和小于 此时可能回馈直母线的制动能量， 则启动电能储存装置 42进行存储。 通过检 测变流器装置 70的中间直流母线 72的电压 Vx， 判定电能储存装置 42是否存 满， 如已经存满， 则进入到步骤 305。

在步骤 305，剩下的制动能量通过制动斩波装置 44，全部流向耗能装置 43， 由耗能装置 43消耗掉。

在实施上述能量管理控制过程中， 系统能量回馈控制装置 41， 通过检测交 流母线 80电压和 /或电流， 避免制动能量向上级电网 100回馈。

在上述步骤 304中， 电能储存装置 42的充电和放电控制如图 30)所示。 以 双脉宽调制能量可回馈型变流器装置 70的中间直流母线 72的直流母线电压 VI 和整流器输入侧 （即来自交流系统母线 80—侧） 电流 （或者功率） II为参考， 实施能量的储存或向中间直流母线 72的释放。 这可避免与变流器装置 70本身 在控制上开展复杂的协调控制。 控制方式为：

在步骤 S 10， 控制装置 41检测到中间直流母线 72的直流母线电压。 当于 步骤 S 11检测到直流母线电压高于电压阈值 VI时， 电能储存装置 42于步骤 S 12储存能量至存满为止。

在步骤 S 13， 控制装置 41检测变流器装置输入侧功率 Pl， 或者反应该功 率值的电流值 II。当于步骤 S14检测到整流器输入侧功率 P1 (；或电流值 II)大于 0时， 说明变流器装置 70从三相交流系统母线 80侧吸收能量， 由变流器装置 70变换后， 向牵引电机提供牵引能量。 此时， 电能储存装置 42也向中间直流 母线 72释放能量， 将上次制动阶段储存的能量释放出来为牵引列车提供部分 能量， 同时为下一次列车制动阶段向电能储存装置 42充电做好准备。

需要说明， 电能储存装置 42释放能量的时机并不限于上述的示例， 事实 上。 控制装置 41可在认为需要向牵引电机 60提供能量的任何时刻释放电能储 存装置 42的能量。

关于能量释放速率，假设 P2代表电能储存装置 42的最大功率、 P 1表示检 测到的整流器输入侧的功率， 当 P 1>P2时 (；步骤 S 15)， 电能储存装置 42以功率 P2释放能量 (；步骤 S 16) ;否贝 I」，电能储存装置 42以功率 P 1释放能量 (；步骤 S 17)。 在上述的步骤 305中，耗能装置 43的充放电控制参照图 3(b)所示， 设置直流母 线电压阈值 V2， 由变流器装置 70检测直流母线电压 (步骤 S20)， 根据中间直流 母线 72的直流母线电压是否大于阈值 V2(步骤 S21)， 控制是否向耗能装置 43 释放电能。 在直流母线电压大于阈值 V2的情况下， 启动制动斩波装置 44， 向 耗能装置 43释放能量 (；步骤 S22)。

上述的阈值 VI、 V2为中间直流母线 72的直流母线电压， 其大小关系为 V2>V1。 作为例子， 中间直流母线电压为 ± 2500V。 阈值电压在实际电路中可 取 VI为 ± 2300V， V2为 ± 2700V。

图 5示出电能储存装置 42与直流母线连接示意图。 电能储存装置 42与变 流器装置 70在几个方面需要协调控制。 一个例子是保护策略的协调控制， 为 了避免影响变流器装置 70的保护策略， 在电能储存装置 42的预充电电路 48 和断路器 47之间增加全控开关 46。 实施故障保护时， 变流器装置 70可以立刻 切断电能储存装置 42通过中间直流母线 72向变流器装置 70提供能量的通路。

另一例子是停机放电协调控制。 变流器装置 70在停机检修时可以将断路 器 47断开， 从而实现电能储存装置 42和变流器装置 70之间的电气连接和切 断。

变流器装置 70为三电平变流器时， 电能储存装置 42的接入方式以及充放 电还需要与三电平中点电压平衡控制进行协调控制。

图 6是根据本发明的一种接入变流器直流母线的方式， 参照图 6所示， 三 相交流系统母线 801通过变压器 712、716、717和 718的组分别连接整流器 71 1、 715和整流器 713、 714。 电感 722、 722'为平波电抗器， 电容 741、 742为电压 支撑电容。 电阻 431、 431'以及图未示的电缆、 柜体、 以及可能附有的冷却装置 构成耗能装置 44， 受控制装置 401控制的开关管 441、 441 '构成制动斩波装置 44。 逆变单元 73 1跨接在正负直流母线之间， 形成逆变器的一个桥臂。 变流器 装置中包含三个逆变单元 731。 电能储存装置 421和 422串联后跨接在正、 负 直流母线上。 电能储存装置 421、 422在向直流母线 72释放能量时， 可采取小 电流释放能量的方式， 避免对整流部分控制中点电压平衡的影响。

图 7是根据本发明的另一种接入变流器直流母线装置的方式。 图 7中的大 部分结构与图 6相同， 只是电能储存装置 421和 422分别跨接在逆变器的正、 负直流母线与中线之间。 这种分别跨接在上下两个电容上的方式， 可增强变流 器装置的中点平衡能力。

电能储存装置接入中间直流母线的上述两种方式均可在列车加速时， 协助 提供牵引能量， 从而消去从电网吸收能量的尖峰。

整流器 71除了采用与逆变器 73同样结构的既可以逆变、 又可以整流的装 置外， 也可是如图 12所示的由功率二极管组成的三相全桥不可控整流器， 或 是图 13所示的半控整流器， 或是图 14所示的全控整流器。 以下介绍采用这些 不包含逆变功能的整流器的实施例。

图 8是本发明的能量管理系统中变流器逆变部分为三电平逆变器的一个实 施例。 与图 6的示例类似， 在本实施例中， 能量回馈装置 401、 402， 电能储存 装置 421、 422， 以及耗能装置 431、 432， 均分别直接接到三电平逆变器 731、 732的正、 负直流母线上。 能量回馈装置 401、 402为与逆变器 731、 732相同 的逆变器， 可以将直流电变换为交流电。

图 9是本发明的能量管理系统中变流器逆变部分为三电平逆变器的一个实 施例。 与图 7的示例类似， 在本实施例中， 能量回馈装置 401和 402、 403和 404， 电能储存装置 421和 422、 423和 424， 以及耗能装置 43 1和 432、 433和 434， 均分别跨接在三电平逆变器 731、 732的正、 负直流母线与分裂电容中点 之间。

图 10是本发明的能量管理系统中变流器逆变部分为两电平逆变器的一个 实例。 在本实施例中， 能量回馈装置 401、 402， 电能储存装置 421、 422， 以 及耗能装置 431、 432， 均分别直接接到两电平逆变器 731、 732的正、 负直流 母线上。

图 1 1是本发明中电能储存装置接到交流母线的一个实施例。 在本实施例 中， 电能储存装置 421不连接到逆变器的中间直流母线 72的直流母线， 而是 连接到系统的交流母线 80。 与连接到逆变器直流母线的实施例不同， 连接到系 统交流母线 80的实施例具有以下好处： 一是可以应用于无直流母线的逆变器 中， 如 AC/AC电机拖动系统、 矩阵式电机拖动系统等。 二是一套能量储存装 置可以同时供多套逆变系统共同使用， 相比之下， 在连接到逆变器直流母线的 能量存储系统仅可以供一套逆变系统使用。

图 12是本发明中变流器整流部分为不控整流桥的一个实施例。 在本实施 例中， 不控整流桥 761和逆变器 762相连， 为牵引电机 763供电。

图 13是本发明中变流器整流部分为半控整流桥的一个实例。 在本实施例 中， 半控整流桥 764和逆变器 765相连， 为牵引电机 766供电。

图 14是本发明中变流器整流部分为全控整流桥的一个实例。 在本实施例 中， 全控整流桥 771和逆变器 772相连， 为牵引电机 773供电。

本发明的实施例通过将制动能量回馈系统母线、 通过电能储存装置储存供 下次利用， 回收了制动能量， 减少了能量的浪费。 另外， 由于回馈到系统母线 的能量仅供本区域内的非牵引装置或者其它牵引装置使用， 并未回馈上级电 网， 所以不会导致对于上级电网的谐波污染和回馈电流冲击。

以某一牵引站各变流器情况为例， 其配置条件如下： 允许回馈系统母线的 功率按照非牵引装置的统计平均值 1MW进行计算； 储能单元配置为

105MJ/1MW (每套变流器各配一套） 。

对于一 5辆编组列车， 其制动能量共 391.2MJ。 其中， 系统母线非牵引装 置共消耗制动能量 90.42MJ, 电能储存装置可吸收制动能量 238.9MJ, 制动电 阻消耗制动能量 61.85MJ。 制动能量利用率高达 84%， 节能效果明显。

通过进一步合理编排运输组织， 在保证接在同一系统母线上的多个列车变 流器装置， 一列车制动时， 另有其他的车辆处于牵引状态， 则消耗于制动电阻 上的制动能量可以明显降低或为 0， 这样制动能量利用率可以更大提高。

Claims

权 利 要 求

1. 一种制动能量管理系统， 包含于一牵引系统内， 该牵引系统包含供电 系统母线、 用于牵引一动力系统的牵引电机、 以及变换该供电系统母线的电力 信号以适合该牵引电机使用的变流器装置， 该制动能量管理系统包括：

能量回馈装置， 连接该变流器装置与该供电系统母线， 当该能量回馈装置被 启动时，从该变流器装置获取制动能量并向该供电系统母线回馈所述制动能量; 电能储存装置，通过可控的第一电能传导路径连接该变流器装置与该供电系统 母线其中之一；

耗能装置， 通过可控的第二电能传导路径连接该变流器装置； 以及

控制装置， 用以执行以下操作：

当检测到动力系统制动时， 首先启动能量回馈装置， 以将制动能量导入至该供 电系统母线；

当检测到该供电系统母线上的牵引负荷和 /或非牵引负荷的能量需求小于制 动能量时， 打开第一电能传导路径以将能量储存到该电能储存装置； 以及

当检测到电能储存装置存满电能时， 打开第二电能传导路径以将能量导入到该 耗能装置消耗。

2. 根据权利要求 1所述的制动能量管理系统， 其中所述能量回馈装置独立 于所述变流器装置配置。

3. 根据权利要求 2所述的制动能量管理系统， 其中所述能量回馈装置为逆 变器。

4. 根据权利要求 1所述的制动能量管理系统， 其中所述能量回馈装置是集 成于所述变流器装置内，使所述变流器装置能够反向地将制动能量变换为供电系统 母线的电力信号。

5. 根据权利要求 1所述的制动能量管理系统， 还包括一连接保护装置， 响 应所述控制装置而打开或关闭所述第一电能传导路径，使所述电能储存装置进行充 电或放电。

6. 根据权利要求 1所述的制动能量管理系统， 还包括一制动斩波装置， 响应所述控制装置而打开或关闭所述第二电能传导路径， 以控制能量是否导入所 述耗能装置。

7. 根据权利要求 1所述的制动能量管理系统， 其中控制装置在需要向牵引 电机提供能量的任意时刻打开该第一电能传导路径， 以释放该电能储存装置的能

8. 根据权利要求 1所述的制动能量管理系统， 其中所述电能储存装置包括 蓄电池、 超级电容器、 飞轮储能、 超导电感储能、 液流电池、 压缩空气储能中的至 少一种。

9. 根据权利要求 2所述的制动能量管理系统， 其中所述变流器装置包括逆 变器、 整流器和介于逆变器与整流器之间的直流母线。

10. 根据权利要求 4所述的制动能量管理系统， 其中所述变流器装置包括逆 变器、整流器和介于逆变器与整流器之间的直流母线，其中所述整流器是能够进行 整流和逆变的四象限整流器。

11. 根据权利要求 9所述的制动能量管理系统， 其中所述整流器是不控整流 器、 半控整流器、 全控整流器或者其组合。

12. 根据权利要求 9或 10所述的制动能量管理系统， 其中所述逆变器是两 电平、 三电平或者多电平拓扑结构。

13. 一种制动能量管理方法， 应用于一牵引系统， 该牵引系统包含供电系 统母线、 用于牵引一动力系统的牵引电机、 以及变换该供电系统母线的电力信 号以适合该牵引电机使用的变流器装置， 该方法包括以下步骤：

当检测到该动力系统制动时，使用一能量回馈装置将该变流器装置从牵引电 机获取的制动能量优先向该供电系统母线回馈，以为该供电系统母线上的非牵引 负荷和 /或牵引负荷供电；

当检测到该供电系统母线上的牵引负荷和 /或非牵引负荷的能量需求小于 制动能量时， 将制动能量储存到一电能储存装置；

当检测到电能储存装置存满电能时， 将制动能量导入到一耗能装置消耗。

14. 根据权利要求 13所述的制动能量管理方法， 其中检测该供电系统母线 上的牵引负荷和 /或非牵引负荷的能量需求是否小于制动能量包括检测该供电系统 母线上的电压是否大于一电压阈值。

15. 根据权利要求 13所述的制动能量管理方法， 其中为该供电系统母线 上的非牵引负荷和 /或牵引负荷供电包括：

以对应于该供电系统母线上的非牵引负荷的一预定功率供电； 以及 当检测到该供电系统母线上存在另一动力系统被牵引时， 使该能量回馈装置 继续向该供电系统母线供电。

16. 根据权利要求 13所述的制动能量管理方法， 其中该变流器装置包括 逆变器、 整流器和介于逆变器与整流器之间的直流母线； 该能量回馈装置连接 到该整流器和该供电系统母线。

17. 根据权利要求 16所述的制动能量管理方法， 其中检测到电能储存装 置存满电能包括检测该直流母线电压是否大于一电压阈值。

18. 根据权利要求 13所述的制动能量管理方法， 其中在需要向牵引电机 提供能量的任意时刻释放该电能储存装置的能量。

19. 根据权利要求 18所述的制动能量管理方法， 其中释放该电能储存装 置的能量的功率是按照预定的曲线进行。

20. 一种制动能量管理方法， 应用于一牵引系统， 该牵引系统包含供电系 统母线、 用于牵引多个动力系统的多个牵引电机、 以及变换该供电系统母线的 电力信号以适合各牵引电机使用的多个变流器装置， 该方法包括以下步骤： 当多个动力系统中的任一动力系统被制动时， 利用一能量回馈装置将该变 流器装置从牵引电机获取的制动能量优先向该供电系统母线回馈；

当检测到该供电系统母线上的牵引负荷和 /或非牵引负荷的能量需求小于 制动能量时， 将制动能量储存到一电能储存装置； 以及

当检测到电能储存装置存满电能时， 将制动能量导入到一耗能装置消耗。